Creating a highly accurate neuro-musculo-skeletal model for the elderly people: Aiming to develop a fall prevention system

为老年人创建高精度神经肌肉骨骼模型：旨在开发跌倒预防系统

基本信息

批准号：
21J10122
负责人：
大津創
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Tokyo Metropolitan University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

歩行速度は，push-off期に発生する推進力（=床反力の前方成分）によって調節され，快適歩行速度と推進力はともに加齢によって低下する．高齢者の歩行速度の低下は，歩行中の転倒を予測する強力な因子であるため，転倒を防ぐには歩行速度を維持するための推進力の強化が必要となる．また，推進力の低下を補うため，高齢者は後脚の股関節の屈曲トルクの増強によって代償することが知られており，この代償戦略が彼らの歩行を不安定化させると考えられるが，このメカニズムは明らかとなっていなかった．そこで，今年度はモデリング研究と実験研究の相補的アプローチによって，加齢による歩行中の推進力の低下が歩行を不安定化させるメカニズムの解明を試みた．具体的には，このメカニズムを解明するために，シンプルな歩行モデルにおいて，歩行速度を変えずに股関節のバネ剛性のみを高めた場合に，推進力，股関節屈曲トルク，margin of stability（MoS）がどのように変化するかを調べ,その関係がヒトの歩行においても成立するかを検証した．その結果，歩行速度が0.50～1.75m/sの場合，股関節のバネ剛性を高めると，モデルとヒトの歩行のどちらにおいても股関節屈曲トルクが増加し，推進力とMoSが減少することが分かった．さらに，股関節屈曲トルクの増加はバネ剛性の増加で説明でき，推進力とMoSの減少はバネ剛性の増加に伴う歩行のステップ周波数の増加で説明できることが分かった．したがって，股関節屈曲トルクの増大は推進力とMoSを減少させ，このメカニズムは股関節のバネ剛性を介することによって説明されることが分かった．本研究の成果は，歩行アシスト装置の制御設計や，高齢者の歩行戦略の理解の向上に役立つと考えられる．この成果のメインを国際誌へ提出し，現在査読中である．さらに，この成果の1部をISB/JSB 2023にて発表予定である．

步行速度由推离期间产生的推进力（=地面反作用力的前向分量）调节，舒适的步行速度和推进力都随着年龄的增长而下降。老年人步行速度的下降是步行时跌倒的强烈预兆，因此为了防止跌倒，有必要加强推进力以维持步行速度。此外，为了补偿推进力的下降，众所周知，老年人会通过增加后腿髋关节的屈曲扭矩来进行补偿，但这种补偿策略被认为会破坏他们的步态，其机制尚不清楚。因此，今年，我们试图通过模型研究和实验研究相辅相成的方法，阐明由于衰老而导致行走时推进力下降而导致行走不稳定的机制。具体来说，为了阐明这一机制，在简单的步行模型中，当仅增加髋关节的弹簧刚度而不改变步行速度时，计算推进力、髋部屈曲扭矩和稳定裕度（MoS）。我们研究了这种变化是如何变化的，并验证了这种关系在人类行走中是否也成立。结果表明，当步行速度在 0.50 至 1.75 m/s 之间时，增加髋关节的弹簧刚度会增加髋关节屈曲扭矩，并降低模型和人体步行的推进力和 MoS ．此外，我们发现髋部屈曲扭矩的增加可以通过弹簧刚度的增加来解释，而推进力和MoS的减少可以通过由于弹簧刚度的增加而导致的步态频率的增加来解释。因此，人们发现髋部屈曲扭矩的增加会降低推进力和MoS，并且这种机制可以通过髋关节的弹簧刚度来解释。这项研究的结果预计将有助于步行辅助设备的控制设计和提高老年人对步行策略的理解。该工作的主要成果已提交至国际期刊，目前正在评审中。此外，我们计划在 ISB/JSB 2023 上展示该结果的一部分。